计算机辅助模拟爆轰条件，制备纳米金刚石

纳米金刚石是一种微小的碳结晶，化学性质和表面性质非常杰出，在量子计算、光电子学和医学方面具有广阔的应用前景。这些材料甚至比沙子还要小几十万倍。纳米金刚石早在三十多年前就已被研制出来，但其应用过去局限于做聚晶，抛光剂等磨料磨具领域。随着人们对纳米金刚石性质认识的深化，纳米金刚石已在润滑油，金属镀膜，磁性记录系统，医学等领域开始获得应用，并且应用领域还在不断扩展。

碳质纳米颗粒（左）及其纯碳核（右），蓝色：碳原子；红色：氧原子；白色：金刚石种子；黄色：围绕金刚石种子的纯碳网络。（图片来源：X. Bidault和N. Pineau）

为了制造这些纳米宝石，有机爆 炸分子在受控环境中受到强烈的爆轰作用。

然而，这些爆 炸力不容易促进纳米金刚石的形成，即使在实验室条件下也是如此。

为了解决这一障碍，两名法国研究人员提出了一种新颖的方法，除此之外还有一个计算机模型，它能够在短时间内模拟不可预测的爆 炸条件。

研究人员在AIP出版的《化学物理学杂志》上报道了他们的研究成果。

“理解形成纳米金刚石的过程对于调整材料性能，使它们更适合于特定用途显得至关重要” ，文章作者Xavier Bidault如此说。

Bidault和他的合著者Nicolas Pineau使用了一种被称为反应分子动力学的模拟方法。

这种模拟复制了系统的时间演化，另外，这个系统模拟复杂的化学反应甚至达到了原子水平。

“原子能级相互作用模型对于真正了解形成过程至关重要。它为我们逐步地分析富含碳的化合物如何在高压、高温系统中形成纳米金刚石提供了一种密切的方法，” Nicolas Pineau说。

然而，实际的实验分析是不可行的，因为爆轰时间极其短暂而且条件严苛。因此，科学家必须依靠原子水平的模拟来证明这种化学过程是如何发生的。

这个模型表明，纳米金刚石的形成需要压力和温度演化之间的微妙平衡。

如果爆轰的初始压力很低，就会形成固体碳，而不是钻石。

另一方面，如果爆轰压力过高，纳米金刚石的碳“种子”会受到氮、氧或其他元素的污染，这些元素会抑制材料向金刚石转变。

经过五十多年的辛勤研究，研究人员已经知道，爆轰才是形成纳米金刚石的原因。

在接下来的二十年里，为了证明这一点，纳米金刚石形成的原子级细节仍然是一个亟需解决的问题。

富碳有机爆 炸物的爆轰是合成纳米金刚石最常用的工业方法。小行星撞击地球或火山爆发也会自然形成天然钻石。

“我们的工作表明，很高的初始压力似乎是一个正确的道路，然后我们需要让压力急剧下降，”Bidault说。

这项研究由法国国家研究机构（ANR），圣路易斯法德研究所（ISL）和法国可再生能源和原子能委员会（CEA）支持，目前这只是这个全球性项目的初始部分。

文章来自azonano网站，原文题目为Computer Model Determines Ideal Conditions to Develop Nanodiamonds，由材料科技在线汇总整理。